(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結装置を用いた金属材料の接合方法において、
前記焼結装置の焼結型内を所定の温度まで昇温させて、前記焼結型内の炭素と酸素の反応により生じた一酸化炭素の還元力で前記金属材料の表面の酸化膜を取り除いた後、前記金属材料を加圧して拡散接合・焼結させる方法であって、
前記金属材料の接合部に突起を設け、前記接合部に隙間を形成した状態で前記焼結型内を所定の温度まで昇温させた後、前記金属材料を加圧して前記突起を押し潰しながら拡散接合・焼結させることを特徴とする金属材料の接合方法。
【請求項２】
焼結装置を用いた金属材料の接合方法において、
前記焼結装置の焼結型内を所定の温度まで昇温させて、前記焼結型内の炭素と酸素の反応により生じた一酸化炭素の還元力で前記金属材料の表面の酸化膜を取り除いた後、前記金属材料を加圧して拡散接合・焼結させる方法であって、
前記焼結型の型材の一部に空洞を設けたことを特徴とする金属材料の接合方法。
【請求項３】
焼結装置を用いた金属材料の接合方法において、
前記焼結装置の焼結型内を所定の温度まで昇温させて、前記焼結型内の炭素と酸素の反応により生じた一酸化炭素の還元力で前記金属材料の表面の酸化膜を取り除いた後、前記金属材料を加圧して拡散接合・焼結させる方法であって、
前記金属材料の接合部に粉末を塗布し、前記粉末により前記接合部に隙間を形成した状態で前記焼結型内を所定の温度まで昇温させた後、前記金属材料を加圧して拡散接合・焼結させることを特徴とする金属材料の接合方法。
【請求項４】
前記金属材料がアルミニウムであって、接合部に少なくともアルミニウム粉末を含む粉末を塗布することを特徴とする請求項３に記載の金属材料の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料の接合方法に関する。より詳しくは、温度と圧力を加えて焼結を行う焼結装置を用いて金属材料を拡散接合・焼結させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼結装置により金属材料を拡散接合・焼結する場合、接合強度及び接合の信頼性を高めるために、金属材料の雰囲気温度や加圧力を高め、真空度もできるだけ高真空度で、しかも加圧時間を長く設定するのが通常である。
【０００３】
しかしながら、こうした方法では、加熱のための電力を多く消費する、加熱に時間がかかる、真空引きに時間がかかる、また、焼結時間も長くなる、型寿命が短くなるといった欠点がある。
【０００４】
そこで、できる限り金属材料（金属部材や金属粉等）の表面を清浄にし、表面が接合しやすい状態にすることで、なるべく低温であるいは低加圧力で、あるいは短時間で、拡散接合・焼結するのが理想とされている。
【０００５】
例えば、非特許文献１には、拡散接合の施工の要点に関して、「拡散接合においては、通常、厳格な接合面の清浄度と平滑度が要求され、表面が清浄なほど、また平滑なほど接合性が良好であり、低温、低圧力で接合できる。表面処理法としては、被接合面を機械研磨、ペーパ仕上げなどで数μｍ程度の粗度に仕上げ、次いで酸洗い、アセトンなどで脱脂洗浄するのが一般的である。表面処理を接合作業直前に実施するのが望ましく、処理後の時間が長いと接合面が汚染され接合性の低下を招く。一度処理した表面は再汚染を避けるため、高真空、不活性ガス雰囲気で保たれるのが普通である。」との記載がある。
【０００６】
また、非特許文献２には、表面改質により、積極的に表面を清浄化する技術として、例えば、「固相接合では、接合部材表面の清浄度が継手性能に大きく影響する。この表面清浄化の手段にＡｒガス中でのグロー放電を利用したスパッタリングやＡｒイオンビームスパッタリングが有効である。」との記載がある。
【０００７】
このように、拡散接合をうまく行なうには、金属部材表面の清浄度を高めることが、最も重要であるが、こうした手法の欠点は、接合・焼結の前工程が増える、手間が掛かる、そのためのコストが増す、といった点にある。
【０００８】
一方、拡散接合の温度条件について、非特許文献３には、「一般に接合温度は、被接合物の再結晶温度、すなわち０．４〜０．６ＴＭＫ（ＴＭ：融点）、あるいはそれ以上とされる。」との記載がある。
【０００９】
これからいくと、例えば工業用純アルミニウム板の場合の拡散接合温度は、アルミニウムのＴＭ（融点）=９３３Ｋ（６６０℃）を元に計算すると、３７３（９３３×０．４）〜５６０（９３３×０．６）Ｋ、あるいはそれ以上となる。摂氏温度で述べると、１００〜２８７℃、あるいはそれ以上となる。
【００１０】
同じ計算を純銅板で計算すると、銅のＴＭ（融点）は１３５６Ｋ（１０８３℃）であるので、拡散接合温度は、摂氏温度でいくと、２６９〜５４１℃、あるいはそれ以上となる。
【００１１】
ただ、この非特許文献３に示された拡散接合温度は、接合時間がいくら長くてもよいという前提の基に学術的に提出されたもので、一般的な商業ベースの操業条件から見ると接合温度としては非常に低い。ちなみに、工業用純アルミニウムの場合は、通常６２０±２０℃程度での操業が多い。これは、同じ非特許文献３の図１３・６に見られる実際の接合温度が８９３Ｋ（６２０℃）を見てもわかる。ただ、この温度でも、接合時間は１．８ｋｓ（３０分）と長い。
【００１２】
銅の場合も、通常の操業条件は、７５０±５０℃程度である。しかも、接合時間は３０分以上とるのが通常である。
【００１３】
拡散接合温度は、接合の信頼性を高めたい、接合に要する時間を短くしたいといった観点から、高い方が望ましい。また、接合時間も長い方が、固相拡散が十分に行われるため、一般的には望ましい。
【００１４】
しかしながら、接合エネルギーや接合のサイクルタイムを考えると、工業的には、接合温度は低い方が望ましいし、接合時間は短い方が安上がりな工程となる。
【００１５】
また、接合雰囲気に関して、非特許文献３には、「接合雰囲気としては、真空（１０−２〜１０−４Ｐａ）が最も多く用いられ、またアルゴンや水素雰囲気も試みられている。」との記載がある。
【００１６】
さらに、特許文献１にも、拡散接合時の真空度に関する記載がある。この中では、真空度１００Ｐａでの例が見られる。この１００Ｐａは、拡散接合時の真空度としては、最も低真空度での実施例と思われる。
【００１７】
以上、拡散接合時の真空度に関して述べたが、工業的には、真空引きに要する時間や真空装置のコスト等を考慮し、ほぼ１Ｐａ程度、あるいはそれ以下の真空度での接合が多いと考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】社団法人溶接学会編、「溶接・接合便覧」、丸善株式会社、平成７年４月５日第２刷、ｐ．１１５７
【非特許文献２】社団法人溶接学会編、「溶接・接合便覧」、丸善株式会社、平成７年４月５日第２刷、ｐ．８２５
【非特許文献３】社団法人溶接学会編、「溶接・接合便覧」、丸善株式会社、平成７年４月５日第２刷、ｐ．４６７−４６８
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特願２００９−１６５６１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
以上に述べたような前処理工程は、接合・焼結の前処理のための付加装置が必要となることや、その工程のために余分なコストがかかるといった欠点がある。
【００２１】
あるいは、真空度も低真空度の方がコストがかからないし、加熱温度も低い方がエネルギーが少なくて済む。
【００２２】
本発明は、このような従来の前処理工程が有していた問題を解決しようとするものであり、前処理工程を不要としたうえで、しかも、低温度、低真空度での接合・焼結を実現しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
請求項１に係る発明の金属材料の接合方法は、焼結装置を用いた金属材料の接合方法において、前記焼結装置の焼結型内を所定の温度まで昇温させて、前記焼結型内の炭素と酸素の反応により生じた一酸化炭素の還元力で前記金属材料の表面の酸化膜を取り除いた後、前記金属材料を加圧して拡散接合・焼結させる方法であって、前記金属材料の接合部に突起を設け、前記接合部に隙間を形成した状態で前記焼結型内を所定の温度まで昇温させた後、前記金属材料を加圧して前記突起を押し潰しながら拡散接合・焼結させることを特徴とする。
【００２４】
請求項２に係る発明の金属材料の接合方法は、焼結装置を用いた金属材料の接合方法において、前記焼結装置の焼結型内を所定の温度まで昇温させて、前記焼結型内の炭素と酸素の反応により生じた一酸化炭素の還元力で前記金属材料の表面の酸化膜を取り除いた後、前記金属材料を加圧して拡散接合・焼結させる方法であって、前記焼結型の型材の一部に空洞を設けたことを特徴とする。
【００２５】
請求項３に係る発明の金属材料の接合方法は、焼結装置を用いた金属材料の接合方法において、前記焼結装置の焼結型内を所定の温度まで昇温させて、前記焼結型内の炭素と酸素の反応により生じた一酸化炭素の還元力で前記金属材料の表面の酸化膜を取り除いた後、前記金属材料を加圧して拡散接合・焼結させる方法であって、前記金属材料の接合部に粉末を塗布し、前記粉末により前記接合部に隙間を形成した状態で前記焼結型内を所定の温度まで昇温させた後、前記金属材料を加圧して拡散接合・焼結させることを特徴とする。
【００２６】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の金属材料の接合方法において、前記金属材料がアルミニウムであって、接合部に少なくともアルミニウム粉末を含む粉末を塗布することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、まず焼結型内を所定の温度まで昇温させて、焼結型内の炭素と酸素の反応により生じた一酸化炭素の還元力で金属材料の表面の酸化膜を取り除くことで、金属材料表面の清浄度を高めることができる。そして清浄度を高めた状態で金属材料を加圧して拡散接合・焼結させることで、接合強度を高めることができる。従って、金属材料表面の清浄度を高めるための前処理工程が不要であり、また、低温度、低真空度での接合・焼結を実現することができる。
【００３３】
本発明によれば、金属材料の接合部に突起を設け、接合部に隙間を形成した状態で焼結型内を所定の温度まで昇温させることで、接合部の隙間の残存空気中の酸素を焼結型内の炭素と反応させることができる。従って、金属材料表面の清浄度を効果的に高めることができる。また、金属材料の突起は加圧により押し潰されるので、拡散接合の妨げにはならない。
【００３６】
本発明によれば、金属材料がアルミニウムである場合に、接合部に少なくともアルミニウム粉末を含む粉末を塗布することで、より接合強度を高めることができる。
【００３８】
本発明によれば、焼結型の型材の一部に空洞を設けることで、空洞部分の残存空気中の酸素を焼結型内の炭素と反応させて、金属材料表面の清浄度を高めることができる。
【００４１】
以上のように、本発明によれば、特別の前処理工程が不要で、且つ、強力な真空装置を必要としない、また電力エネルギーが少なくなるという効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】通常の通電焼結装置の主要部を示す縦断面図である。
【図２】多軸通電焼結装置の主要部を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る金属材料の接合方法における通電焼結装置内部を示す縦断面図である。
【図４】通電焼結装置内部を示す横断面図である。
【図５】複数組の金属材料を配置した状態の通電焼結装置内部を示す横断面図である。
【図６】従来例に係る金属材料の接合方法における通電焼結装置内部を示す縦断面図である。
【図７】実施例１におけるテストピースを示す図である。
【図８】実施例１における型内の接合温度（拡散接合温度）と引張強さ（破断荷重）の関係を示す図である。
【図９】実施例２におけるテストピースを示す図である。
【図１０】実施例２における焼結炉内の真空度と引張強さ（剥離強度）の関係を示す図である。
【図１１】突起形状の一例を示す図である。
【図１２】突起形状の一例を示す図である。
【図１３】突起形状の一例を示す図である。
【図１４】突起形状の一例を示す図である。
【図１５】通常の通電焼結装置の昇温曲線と加圧曲線（銅）を示す図である。
【図１６】多軸通電焼結装置の昇温曲線と加圧曲線（銅）を示す図である。
【図１７】実施例３におけるテストピースを示す図である。
【図１８】実施例３における引張強さを示す図である。
【図１９】多軸通電焼結装置の昇温曲線と加圧曲線（アルミ）を示す図である。
【図２０】アルミ板接合部の金属組織（Ａｌ−１２ｖｏｌ％Ｓｉを塗布した場合）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、図１〜図２０を参照して、本発明の実施形態に係る金属材料の接合方法について説明する。
【００４４】
まず、金属材料を拡散接合するために用いる通電焼結装置のうち、通常用いられる通電焼結装置について説明する。図１は、通常の通電焼結装置を示したものである。図１に示す通常の通電焼結装置は、上プラテン１Ａ、下プラテン１Ｂ、タイバー２Ａ，２Ｂ、上パンチ３Ａ、下パンチ３Ｂ、上型５Ａ、下型５Ｂ、外型・外周型６から構成されている。そして、上下軸に通電し、型５Ａ，５Ｂ，６と、接合したい金属材料（被焼結体・被接合体７）とを加熱しながら、上下軸で加圧も同時に行い（加圧力４Ａ，４Ｂ）、拡散接合・焼結を行なうものである。なお図１では、真空容器の記載を省略している。
【００４５】
この通常の通電焼結装置の加熱・加圧曲腺は図１５に示すようなものが標準的である。つまり、加圧は、昇温を開始すると同時にほぼ一定の圧力まで上昇させ、その後はほぼ一定の圧力を保持するものである。
【００４６】
この理由は、図１に示したように、上下のパンチ３Ａ，３Ｂが通電軸も兼ねているためで、昇温のために通電電流を一定に維持しようとすれば、常に被焼結体・被接合体７を押さえておかなければならないことに起因している。
【００４７】
次に、本実施形態に係る金属材料の接合方法に用いるものとして好適な通電焼結装置である、多軸通電焼結装置について説明する。図２は、複数の軸を持つ多軸通電焼結装置を示したものである。これは、例えば特許第４２２６６７４号公報に記載されたもので、上パンチ３Ａ、下パンチ３Ｂ、上型５Ａ、下型５Ｂ、外型・外周型６、及び４つの通電軸１０Ａ，１０Ｂ，１２Ａ，１２Ｂから構成されている。そして、前後と左右方向の通電軸１０Ａ，１０Ｂ，１２Ａ，１２Ｂで通電し（電流１１Ａ，１１Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ）、型と接合したい金属材料とを加熱しながら、上下軸で加圧を行い、拡散接合・焼結を行なうものである。なお図２では、真空容器の記載を省略している。
【００４８】
この多軸通電焼結装置では、上下のパンチ３Ａ，３Ｂと通電軸１０Ａ，１０Ｂ，１２Ａ，１２Ｂとが分離されているため、加圧と通電は独立して制御できる特徴がある。そのため、図１６に示すような先加熱・後加圧曲線を選ぶことが可能である。
【００４９】
次に、本実施形態に係る金属材料の接合方法について詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る金属材料の接合方法における通電焼結装置内部を示す縦断面図であり、図４は、横断面図である。
【００５０】
図３及び図４において、外型・外周型６の内側には、上黒鉛型５Ａ、下黒鉛型５Ｂ、右サイド黒鉛型８Ａ、左サイド黒鉛型８Ｂ、前サイド黒鉛型９Ａ、後サイド黒鉛型９Ｂがセットされており、これらの黒鉛型に囲まれた空間に被焼結体・被接合体である金属板７Ａ，７Ｂが配置されている。
【００５１】
上側の金属板７Ａには、複数（４箇所）の突起１４が設けられている。一方、下側の金属板７Ｂには、突起が設けられていない。そして、金属板７Ａに設けられた突起が金属板７Ｂと接するように、金属板７Ａ，７Ｂを重ね合わせて接合部としてある。この金属板７Ａ，７Ｂの接合部においては、突起１４の存在によって隙間１５が形成されている。なお、突起は隙間１５が形成されるものであれば、下側の金属板７Ｂに設けてもよいし、上側と下側の両方の金属板に設けてもよい。
【００５２】
また、突起１４の形状としては、図１１に示すポンチ成形の突起２０Ａ、図１２に示す曲げ成形の突起２０Ｂ、図１３に示す押出し成形の突起２０Ｃ、図１４に示すノッチ状の突起２０Ｄなど、様々な形状とすることができる。
【００５３】
また、黒鉛型内に配置する被焼結体・被接合体である金属板は、１組でなくともよく、例えば図５に示すように、複数組（図５では３組）を配置して、多数組を同時に接合するようにしてもよい。その場合、各組の間には仕切り用黒鉛型１６を配置する。
【００５４】
なお、図６は、従来例に係る金属材料の接合方法における通電焼結装置内部を示す縦断面図であり、図３に示したような隙間１５を設けないで、金属板同士を重ね合わせた状態で、型内にセットした状態を示す。通常用いられる金属板の拡散接合・焼結には、このセッティング方法が使われている。
【００５５】
上記図３及び図４の状態で、先ず簡単に真空引きし、その後、多軸通電焼結装置の通電軸１０Ａ，１０Ｂ及び１２Ａ，１２Ｂに交互に電流を流し、型と金属板７Ａ，７Ｂを加熱する。そして所望の温度に上昇すれば、加圧軸（上下のパンチ３Ａ，３Ｂ）を作動させて金属板７Ａ，７Ｂ同士を圧着し、拡散接合・焼結する。
【００５６】
本実施形態に係る金属材料の接合方法は、通電焼結工程で用いられる黒鉛型内の炭素と焼結型内に残る空気中の酸素との化学反応を利用し、その結果生じた活性な発生期のＣＯ（一酸化炭素）ガスにより、被接合・被焼結材の金属板の表面の酸化膜を還元し、拡散接合・焼結温度を低下させるものである。
【００５７】
そのため、焼結型内の真空度をそれほど高真空にすることなく、ある程度のレベルに留め、その状態で接合・焼結を行うことができる。
【００５８】
また、金属板の接合したい部分の近傍に隙間を設けることで、その部分に積極的に空気を残存させることができる。
【００５９】
さらには、その接合効果の向上により、低温での拡散接合・焼結を可能とするものである。
【実施例１】
【００６０】
図７は、実施例１におけるテストピースを示す図である。実施例１におけるテストピースは、幅２０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの銅板２枚を、接合部が１０ｍｍとなるように重ね合わせたものである。このテストピースを２組用意し、一方のテストピース（ａ）には接合部に隙間０．３ｍｍが生じるように突起を設け、他方のテストピース（ｂ）は接合部に隙間が生じないように密着させた。
【００６１】
実施例１においては、真空度を１００Ｐａ、金属板の加圧力を５０ＭＰａとし、テストピース（ａ），（ｂ）のそれぞれについて、拡散接合・焼結温度（ピーク時の温度）を変えながら測定した。また昇温曲線と加圧曲線は図１６に示すようなカーブを描くように、所定の拡散接合・焼結温度まで昇温させた後に、金属板を加圧するようにした。なお、拡散結合・焼結温度（ピーク時の温度）は図１６に示す温度とは異なる。
【００６２】
図８は、実施例１における型内の接合温度（拡散接合温度）と引張強さ（破断荷重）の関係を示す図である。図８に示すように、通常は金属板の表面が酸化されると考えられる真空度（１００Ｐａ）でも、十分な引張強さが得られている。しかも、６００℃という低温でも十分に接合している。一般的に銅板の拡散接合・焼結は７５０℃程度が使用されるが、むしろそれよりも低温度の６００℃の方がより引張強度が高くなっている。
【００６３】
また図８は、銅板と銅板の間に隙間を設けた方（突起あり）が、隙間を設けない方（突起なし）よりも、引張強さが向上することも示している。この理由としては、次のような反応が起こっているのではないかと考えている。
Ｏ２＋２Ｃ→２ＣＯ
ＣＯ＋ＣｕＯ→Ｃｕ＋ＣＯ２
つまり、型内の温度が上昇するに連れて黒鉛型（Ｃ）と残存空気中の酸素（Ｏ２）とが反応し一酸化炭素（ＣＯ）を生成し、その発生期の一酸化炭素が銅（Ｃｕ）板表面の酸化銅（ＣｕＯ）を還元するといった一連の反応が生じるためと推測している。
【００６４】
従って、銅板同士の間に残存空気がある方（突起あり）が、銅板同士の間に残存空気がない方（突起なし）に比べて、強度が高くなっているのである。
【実施例２】
【００６５】
図９は、実施例２におけるテストピースを示す図である。実施例２におけるテストピースは、幅１０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの銅板２枚を、接合部が１２ｍｍとなるように重ね合わせたものである。このテストピース（ａ）には接合部に隙間０．３ｍｍが生じるように突起を設けた。
【００６６】
実施例２においては、金属板の加圧力を５０ＭＰａとし、拡散接合・焼結温度（ピーク時の温度）４００℃，５００℃，５５０℃，６００℃のそれぞれについて、焼結型内の真空度を変えながら測定した。また昇温曲線と加圧曲線は図１６に示すようなカーブを描くように、所定の拡散接合・焼結温度まで昇温させた後に、金属板を加圧するようにした。なお、拡散結合・焼結温度（ピーク時の温度）は図１６に示す温度とは異なる。
【００６７】
図１０は、実施例２における焼結型内の真空度と引張強さ（剥離強度）の関係を示す図である。この図１０は、真空度をあまりよくしない方がむしろ接合強度が高いことを示している。つまり、このデータでは、真空度１０Ｐａ前後が最も高強度となっている。
【００６８】
また図１０によれば、真空度が１００Ｐａよりも悪くなると、引張強度も悪くなる。これは、雰囲気の酸素が過剰となり、むしろ銅板の表面の酸化が進むために銅の拡散が妨げられ、強度低下が起こったものと考えられる。
【００６９】
以上、実施例１及び実施例２によれば、拡散接合させたい銅板の接合部近傍に隙間を設け、その部分に適量の残存空気を配置することで、拡散接合・焼結が効率的に行なえることがわかった。
【実施例３】
【００７０】
次に、アルミ材料の接合については、どうなるのか試験を行った。一般的には、アルミ板の拡散接合・焼結は、銅などよりも非常に難しいとされている。
【００７１】
図１７は、実施例３におけるテストピースを示す図である。実施例３におけるテストピースは、幅１０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのアルミ板２枚を、接合部が５ｍｍとなるように重ね合わせたものである。このテストピースを３組用意し、１組目のテストピース（ａ）は、接合部に隙間０．３ｍｍが生じるように突起を設け、さらに接合部にアルミ粉末（粒径５μｍ程度）とシリコン粉末（粒径３０μｍ以下）とを塗布した。塗布厚みは約７０μｍである。また２組目のテストピース（ｂ）には、接合部に突起を設けずに、アルミ粉末（粒径５μｍ程度）とシリコン粉末（粒径３０μｍ以下）とを塗布した。さらに３組目のテストピース（ｃ）は接合部を直当てとした。
【００７２】
実施例３においては、真空度を１００Ｐａ、金属板の加圧力を２０ＭＰａ、拡散接合・焼結温度（ピーク時の温度）を４７０℃とし、テストピース（ａ），（ｂ），（ｃ）のそれぞれについて、アルミ粉末に対するシリコン粉末の量（ｖｏｌ％）を変えながら測定した。また昇温曲線と加圧曲線は図１９に示すようなカーブを描くように、所定の拡散接合・焼結温度まで昇温させた後に、金属板を加圧するようにした。
【００７３】
得られた引張強度データを図１８に示す。この図１８の結果から、図１７に示したテストピースのうち、１組目（ａ）の接合部に隙間０．３ｍｍが生じるように突起を設け、さらに接合部にアルミ粉末（粒径５μｍ程度）とシリコン粉末（粒径３０μｍ以下）とを塗布した場合が、最も引張強度が高いことがわかる。
【００７４】
次いで、２組目（ｂ）の突起は設けていないが、接合部にアルミ粉末（粒径５μｍ程度）とシリコン粉末（粒径３０μｍ以下）介在させてアルミ板を接合した場合の引張強度が高い。最も引張強度が低かったのは、３組目（Ｃ）の板と板を直接重ねた場合で、ほとんど接合できていなかった。
【００７５】
このようにアルミ粉末あるいはアルミ粉末とシリコン粉末両方の塗布でも、何も塗布しないものよりも引っ張り強度が出ている。これは、粉末塗布により、必然的にできた隙間部分で、アルミ表面の酸化膜を除去する一酸化炭素（ＣＯ）が生成したためと考えられる。
【００７６】
また、塗布したＡｌとＳｉの粉末は、合金粉末ではなくて、それぞれ別の純Ａｌ粉末と純Ｓｉ粉末とを混合して使用している。また、接合後の金属組織（図２０）を見た限りでは、Ａｌ粉末とＳｉ粉末との間で共晶成分の生成は見られない。従って、アルミ板とアルミ粉末、Ｓｉ粉末は純粋な拡散接合・焼結によって付着していると考えられる。
【００７７】
このことから、Ｓｉ粉末は、バインダー的な役割を果たすものではなく、単にそこに存在していたから、そのままの形で接合部に挟み込まれているものと思われる。
【００７８】
従って、Ｓｉ粉末に代えて、例えば、ダイヤモンド粒子とか、グラファイト粉末とか、ＳｉＣ粒子のようなものであっても同じ結果がえられるものと推測する。もし絶縁基板など熱膨張率の異なる部材を一体的に接合する場合など、接合部の熱伝導率や熱膨張係数を調整したい場合は、こうした粒子を混合してもよいのは言うまでもない。
【００７９】
このように、金属板の拡散接合・焼結においては、その中間に隙間（空洞）を設けることで、より接合強度の高いものが得られることがわかった。それは、銅板でもアルミ板でも同様であった。また、隙間を設けるために、板に突起を設けてもよいし、金属やセラミックスの粉末等を挟んでもよい。
【００８０】
また、この強度が向上する現象は、板だけでなく、丸棒や角材でも同じ結果が得られることは容易に想像がつく。さらに金属粉の場合にも、上黒鉛型の降下による加圧前に昇温するようにすれば、同様の効果が期待できる。
【００８１】
さらに、隙間（空洞）が高温まで維持できることが重要であり、多軸通電焼結装置が、本プロセス向きの装置であることは言うまでもない。図１５に示したような加熱と加圧が同時に行われた場合は、還元が十分に起こる高温に到達するまでに、加圧力により、突起が潰されてしまい、隙間が消失してしまう現象が起こる。
【００８２】
それに対して、図１６に示す多軸通電焼結装置のように、先加熱、後加圧ができれば、高温になるまで隙間（空洞）が潰れることなく、十分に表面の酸化膜が除去できる。
【００８３】
以上述べたように、焼結・接合したい部分に、隙間（空洞）を設けること、また、少し空気を残してやること、さらには、先加熱・後加圧を取り入れることで、引張強度の高い信頼性に富む拡散接合・焼結が低温で可能となる。
【００８４】
しかも、この方法は、真空引きを適当なところで中止できることから、ポンプのエネルギーが節約でき、しかも、低温度での拡散接合・焼結が可能なことから、加熱用の電気エネルギーも大幅に節約できることとなる。
【００８５】
本実施形態に係る金属材料の接合方法によれば、まず焼結型内を所定の温度まで昇温させて、焼結型内の炭素と酸素の反応により生じた一酸化炭素の還元力で金属材料７の表面の酸化膜を取り除くことで、金属材料７表面の清浄度を高めることができる。そして清浄度を高めた状態で金属材料７を加圧して拡散接合・焼結させることで、接合強度を高めることができる。従って、金属材料７表面の清浄度を高めるための前処理工程が不要であり、また、低温度、低真空度での接合・焼結を実現することができる。
【００８６】
また、金属材料７の接合部に突起１４を設け、接合部に隙間１５を形成した状態で焼結型内を所定の温度まで昇温させることで、接合部の隙間１５の残存空気中の酸素を焼結型内の炭素と反応させることができる。従って、金属材料７表面の清浄度を効果的に高めることができる。また、金属材料７の突起１４は加圧により押し潰されるので、拡散接合の妨げにはならない。
【００８７】
また、金属材料７が銅である場合に、焼結型内の真空度を５Ｐａ〜９０Ｐａの範囲内に保持することで、より接合強度を高めることができる。
【００８８】
また、金属材料７が銅である場合に、拡散接合・焼結温度を６００℃〜６５０℃の範囲内にすることで、より接合強度を高めることができる。
【００８９】
また、金属材料７がアルミニウムである場合に、接合部に少なくともアルミニウム粉末を含む粉末を塗布することで、より接合強度を高めることができる。
【００９０】
また、焼結装置として、焼結型内の昇温と金属材料７の加圧とを別々に行うことの可能な多軸通電焼結装置を用いることで、焼結型内の昇温と金属材料７の加圧をそれぞれ容易に制御することができる。
【００９１】
なお、本実施形態を変更して以下のように実施することもできる。
（１）焼結型の型材の一部に空洞を設ければ、空洞部分の残存空気中の酸素を焼結型内の炭素と反応させることができる。
（２）焼結型の型材として鋳鉄型を用いれば、鋳鉄型の中の炭素を焼結型内の酸素と反応させることができる。
（３）焼結型の型材の表面に黒鉛を塗布すれば、型の材質に関わらず、塗布した黒鉛を焼結型内の酸素と反応させることができる。
【００９２】
また、本実施形態では、好適な通電焼結装置として多軸通電焼結装置を用いたが、焼結型内の昇温と金属材料の加圧とを別々に行うことが可能な装置であれば、他の通電焼結装置を用いてもよい。さらに、通電焼結装置に限らず、例えばホットプレス装置等の他の焼結装置に、焼結型内の昇温と金属材料の加圧とを別々に行う制御機能を持たせるようにしてもよい。
【００９３】
以上のように、本実施形態に係る金属材料の接合方法によれば、特別の前処理工程が不要で、且つ、強力な真空装置を必要としない、また電力エネルギーが少なくなるという効果を発揮することができる。
【符号の説明】
【００９４】
１Ａ  上プラテン
１Ｂ  下プラテン
２Ａ  タイバー
２Ｂ  タイバー
３Ａ  上パンチ
３Ｂ  下パンチ
４Ａ  加圧力
４Ｂ  加圧力
５Ａ  上黒鉛型
５Ｂ  下黒鉛型
６    外型・外周型
７    被焼結体・被接合体
７Ａ  銅板（突起あり）
７Ｂ  銅板（突起なし）
７Ｃ  銅板（突起なし）
８Ａ  右サイド黒鉛型
８Ｂ  左サイド黒鉛型
９Ａ  前サイド黒鉛型
９Ｂ  後サイド黒鉛型
１０Ａ  通電軸（＋側）
１０Ｂ  通電軸（−側）
１１Ａ  電流
１１Ｂ  電流
１２Ａ  通電軸（＋側）
１２Ｂ  通電軸（−側）
１３Ａ  電流
１３Ｂ  電流
１４    突起
１５    隙間
１６    仕切り用黒鉛型
２０Ａ  ポンチ成形の突起
２０Ｂ  曲げ成形の突起
２０Ｃ  押出し成形の突起
２０Ｄ  ノッチ状の突起
３０    アルミ板
３１    アルミ粉末
３２    シリコン粉末
４０    突起
【図１】
0005687458.tif 000002
【図２】
0005687458.tif 000003
【図３】
0005687458.tif 000004
【図４】
0005687458.tif 000005
【図５】
0005687458.tif 000006
【図６】
0005687458.tif 000007
【図７】
0005687458.tif 000008
【図８】
0005687458.tif 000009
【図９】
0005687458.tif 000010
【図１０】
0005687458.tif 000011
【図１１】
0005687458.tif 000012
【図１２】
0005687458.tif 000013
【図１３】
0005687458.tif 000014
【図１４】
0005687458.tif 000015
【図１５】
0005687458.tif 000016
【図１６】
0005687458.tif 000017
【図１７】
0005687458.tif 000018
【図１８】
0005687458.tif 000019
【図１９】
0005687458.tif 000020
【図２０】
0005687458.tif 000021